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基于FPGA的夏克-哈特曼探测器实时波前处理机

刘召庆 李力 董冰 金伟其

刘召庆, 李力, 董冰, 金伟其. 基于FPGA的夏克-哈特曼探测器实时波前处理机[J]. 红外技术, 2021, 43(8): 717-722.
引用本文: 刘召庆, 李力, 董冰, 金伟其. 基于FPGA的夏克-哈特曼探测器实时波前处理机[J]. 红外技术, 2021, 43(8): 717-722.
LIU Zhaoqing, LI Li, DONG Bing, JIN Weiqi. Shack-Hartman Detector Real-time Wavefront Processor Based on FPGA[J]. Infrared Technology , 2021, 43(8): 717-722.
Citation: LIU Zhaoqing, LI Li, DONG Bing, JIN Weiqi. Shack-Hartman Detector Real-time Wavefront Processor Based on FPGA[J]. Infrared Technology , 2021, 43(8): 717-722.

基于FPGA的夏克-哈特曼探测器实时波前处理机

基金项目: 

国家自然基金 11874087

详细信息
    作者简介:

    刘召庆(1979-),男,研究员,主要研究方向为光电系统总体技术。E-mail:12134171@qq.com

    通讯作者:

    李力(1982-),男,讲师,主要研究方向为数字图像处理。E-mail:lili@bit.edu.cn

  • 中图分类号: TN219

Shack-Hartman Detector Real-time Wavefront Processor Based on FPGA

  • 摘要: 夏克-哈特曼波前传感器是目前自适应光学系统中应用最为广泛的实时波前探测器。本文针对具有高分辨、高帧速、大规模子孔径数的夏克-哈特曼传感器,根据其波前处理计算量和实时性的要求,提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA,field-programmable gate array)的实时波前处理机结构及波前斜率计算方法。该方法利用核心处理模块重复利用的方式完成子孔径内光斑质心的计算,并通过USB3.0将处理后的质心数据实时传输给PC机。处理机以一片XILINX公司Kintex7-XC7K325T的FPGA作为处理芯片进行了设计,结果表明:该算法可对560帧/s的1020×1020图像(580 MB/s数据量),56×56子孔径哈特曼传感器,进行低延时实时光斑质心计算,提高了系统的波前处理速度和整个自适应光学系统的控制速度。
  • 图  1  夏克-哈特曼波前传感器结构

    Figure  1.  Structure of Shaker-Hartman sensor

    图  2  处理机系统组成

    Figure  2.  Composition of processor system

    图  3  处理机硬件结构图

    Figure  3.  Structure of hardware

    图  4  EoSens CMOS探测器一行像素输出时序

    Figure  4.  Pixel output timing of EoSens CMOS detector

    图  5  行缓冲将10像素80bit输入转成串行1像素8bit

    Figure  5.  Line buffer converts 10-pixel 80-bit parallel input into serial 1-pixel 8-bit

    图  6  质心计算核心模块

    Figure  6.  Module of centroid computing

    图  7  质心计算核心模块复用

    Figure  7.  Centroid computing core module reuse

    图  8  FPGA使用资源情况

    Figure  8.  Usage of FPGA resources

    图  9  夏克-哈特曼传感器成像图

    Figure  9.  Shack-Hartman sensor imaging

    图  10  时序仿真结果

    Figure  10.  Timing simulation results

    图  11  实验光路图

    Figure  11.  Experimental light path

    表  1  处理能力比较

    Table  1.   Comparison of processing power

    Processor Number of sub-apertures The data volume of the sensor Processing delay
    2002 Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences[1] 17DSP 61 7.8MB/s 340μs
    2011 Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences[5] FPGA 177 No data 338μs
    2014 Technische Universität Ilmenau[6] FPGA 120 43.3MB/s 1050μs
    2015 Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences[2] Computer 949 88.2MB/s 163μs
    2016 Changchun Institute of Optics and Mechanics[4] GK104 GPU+CPU 1600 115.2MB/s 18μs
    2018 Changchun Institute of Optics and Mechanics[7] FPGA 349 113.5MB/s 198μs
    2018 Indian Institute of Astrophysics[8] FPGA 2500 No data 24-26μs
    System and method of this paper FPGA 3136 580MB/s μs
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-12
  • 修回日期:  2021-04-26
  • 刊出日期:  2021-08-20

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    《红外技术》编辑部

    2021-06-16